Elektrolyysi metallien valmistuksessa, puhdistuksessa ja pinnoituksessa

Elektrolyysiä voidaan käyttää eri metallien valmistukseen, puhdistukseen ja pinnoitukseen. Jotkut metallit esiintyvät luonnossa pelkästään yhdisteinä, kun taas joillekin elektrolyysi voi olla ainoa tapa erottaa ne puhtaaksi alkuaineeksi. Esimerkiksi alumiinin ja useiden alkali- ja maa-alkalimetallien sekä puhtaan elektrolyyttisen kuparin valmistus perustuu elektrolyysiin. [1]

Metallien elektrolyyttinen valmistusMuokkaa

Yksi tärkeimmistä elektrolyysin teollisista sovelluksista on metallisen alumiinin valmistus. Tässä prosessissa sula kryoliittiin liuotettu alumiinioksidi pelkistyy grafiitilla peitetyssä teräsastiassa lähes puhtaaksi alumiiniksi. Elektrolyysissä katodina toimii teräsastian grafiittipäällyste ja anodina grafiittisauvat. Valmis tuote sisältää 99,0-99,9% alumiinia. Menetelmää kutsutaan Hall-Héroult-prosessiksi.[1],[2]

Kulta[3] on jalometalli, jota löytyy luonnosta. Kullan elektrolyyttinen valmistus toteutetaan käyttämällä ohuita teräsverkkoja, niiden pintaan kulta saostuu. Teräsverkko erotetaan kullasta kuumentamalla ja hapettamalla. Samalla siinä ilmenevät muut epäpuhtaudet hapettuvat. Tämä metodi tuottaa epäpuhtauksia kultametalliseoksesta mm. hopeaa.[4]

Käsitelty kultaliuos johdetaan elektrolyysikennoon, jossa Au(I)ionit pelkistyvät metalliseksi kullaksi. [3]

Nikkeli[5] on alkuaine, jota löytyy luonnosta. Nikkelin elektrolyysillä valmistetaan katodinikkeliä. Tässä menetelmässä tasavirtaa syötetään liukenemattoman lyijyanodin kautta elektrolyyttiin ja sieltä edelleen Nikatodille. Liuottamossa valmistettu ja uutoissa puhdistettu nikkeliliuos eli katolyyttiliuos. Elektrolyysin prosessissa sähkövirran avulla nikkeliionit pelkistyvät liuoksesta katodin pinnalle.[6]

Muita teollisia prosesseja, joissa hyödynnetään elektrolyysiä ovat useiden metallien kuten kaliumin, kalsiumin, kloorin, kuparin, litiumin, magnesiumin ja natriumin valmistus elektrolyysin avulla.[2]

Metallien elektrolyyttinen puhdistusMuokkaa

Elektrolyyttisen puhdistuksen prosessissa epäpuhdas metalli kytketään positiiviseen napaan ja puhdas negatiiviseen. Elektrolyyttisessa puhdistuksessa voidaan käyttää kestokatodeja. Siinä epäpuhtaan metallin atomit alkavat hapettua ja liueta nesteeseen positiivisiksi ioneiksi. Nämä positiiviset ionit liikkuvat kohti negatiiviseen napaan kiinnitettyä puhdasta metallilevyä. Ionit pelkistyvät sen pinnalle muodostaen lisää puhdasta metallia. Anodilta irronneet elektronit pelkistävät katodille saapuneet ionit. Pelkistys tapahtuu aina toisen aineen hapetuksen aikana.[7],[8],[9]

Kts. Kuparin elektrolyyttinen puhdistus.

Metallien elektrolyyttinen pinnoitusMuokkaa

Elektrolyyttisellä pinnoituksella voidaan metalliesineet päällystää ohuella, jopa vain muutaman mikrometrin paksuisella metallikerroksella, joka parantaa esineen korroosioominaisuuksia tai muuttaa pinnan ulkonäköä. Elektrolyyttisessä, eli sähkökemiallisessa pinnoituksessa, pinnoitettava esine upotetaan metallisuolapitoiseen vesiliuokseen, ja metallipinnoitetta saostetaan esineen päälle sähkövirran avulla. Pinnoituksia voi olla useita kerroksia joko samalla metallilla tai eri metalleilla haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Elektrolyyttisessä pinnoituksessa liuos sisältää metallisuolojen lisäksi happoja, emäksiä, kompleksinmuodostajia, kostutusaineita sekä erilaisia kiiltolisiä. Pinnoitettava esine on katodina ja anodi on joko saostettavaa metallia tai liukenematonta ainetta. Liukenemattomat anodit voivat olla grafiittia, platinaa, lyijyä tai ruostumatonta terästä.[9],[10],[11]

Metallien elektrolyyttiselle pinnoitukselle on monenlaisia käyttökohteita. Elektrolyyttisessä pinnoituksessa puhdistetun metallin pinnalle pelkistetään sähkövirran avulla toista metallia oleva pintakerros. Tämä pinnoitus suojaa metallia mm. kosteuden ja hapen vaikutuksilta. [2],[8],[9],[11]

Teräs voidaan esimerkiksi päällystää kromilla tai tinalla, jotka reagoivat herkästi hapen kanssa, jolloin teräs saa suojaavan oksidipinnan. Kromauksessa tai tinauksessa pinnoituksessa metalli päällystetään joko kromilla tai tinalla, jotka reagoivat herkästi hapen kanssa. Metalli saa suojaavan oksidipinnan. Oksidipinta on tehokas suoja metallien korroosiota vastaan.[2],[8],[9],[11]

Sinkityksessä metallin pinta päällystetään sinkkikerroksella, joka antaa mm. suojan korroosiolta. Kuparipinnoite, eli kuparointi toteutetaan teollisuudessa kuparointikylvyn avulla. [9],

Elektrolyysiä käytetään metallien yhteydessä myös silloin, kun halvoista metalleista tehtyjä esineitä päällystetään toisilla metalleilla - esimerkiksi galvanoitu teräs on terästä, joka on päällystetty elektrolyyttisesti sinkillä. Sinkkikerroksen ansioista galvanoitu teräs kestää korroosiota paremmin kuin galvanoimaton teräs.[2]

Teollinen elektrolyysi SuomessaMuokkaa

Suomessa elektrolyysillä puhdistetaan/valmistetaan:

Elektrolyysi Raaka-aine Yhtiö Paikkakunta Muuta
Cu Kuparirikaste, metalliromu, sakka New Boliden Pori[12] Kestokatoditekniikka, jalometallien talteenotto[13]
Zn Sulfidinen rikaste (SWE, IRL, FIN) New Boliden Kokkola[14] Maailman 4. suurin sinkkitehdas[15]
Ni Nikkelirikaste

(RSA, BRA, FIN, AUS), Nikkelisulfaatti

Norilsk Nickel Harjavalta[16]
Co Ylijäämät, sivutuotteet Freeport Cobalt Kokkola[17]

Kuparin, sinkin ja nikkelin valmistus on nykyisin paljolti tuontirikasteiden varassa: vuonna 2013 kuparirikasteen omavaraisuusaste oli 27%, sinkkirikasteen 12% ja nikkelin 58%. Suomesta vietiin vuonna 2014 metallirikasteita 180 miljoonalla eurolla, kun niiden tuonnin arvo oli 1,8 miljardia euroa.[18]

Katso myös - elektrolyysiin liittyviä linkkejäMuokkaa

https://fi.wikipedia.org/wiki/Elektrolyysi

http://gronmark.fi/toimialat/ter%C3%A4ksenjametallienvalmistus

https://www.tem.fi/files/42870/Metallien_jalostus_Suomessa_nykytila_ja_tulevaisuuden_haasteet.pdf

http://www.outokumpu.com/fi/ruostumatonteras/Sivut/default.aspx

http://www.ovako.com/fi/

http://www.boliden.com/fi/Toimipaikat/Sulatot/BolidenHarjavalta/

http://www.boliden.com/fi/Toimipaikat/Sulatot/Kokkola/

http://www.ssab.fi/Palvelut

http://www.ttl.fi/partner/kamat/tietokortteihin/Documents/Elektrolyyttinenpinnoitus.pdf

http://weppi.gtk.fi/aineistot/kaivosteollisuus/metallienvalmistus.htm

http://www.pinnoitushelin.fi/

http://www.ymparisto.fi/fiFI/Asiointi_luvat_ja_ymparistovaikutusten_arviointi/Ymparistovaikutusten_arviointi/YVAhankkeet/Boliden_Kokkola_Oy_rikkihappotehtaan_perustamishanke_Kokkola

https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/40402/SY_546.pdf?sequence=1

https://fi.wikipedia.org/wiki/Kuparin_elektrolyyttinen_puhdistus

Keskustelua elektrolyysistäMuokkaa

http://www.kotiverstas.com/keskustelu/index.php?topic=16759.0

http://www.tiede.fi/keskustelu/38066/ketju/elektrolyysi_liuokset

http://www.tekniikkatalous.fi/tekniikka/metalli/20130215/Kuivaelektrolyysimoninkertaistaaharvinaistenmetallientuotannon%E2%80%93lentokoneetvoidaansittenkintehd%C3%A4titaanista3312805.html

LähteetMuokkaa

  1. a b Otavan iso Fokus, 1. osa (AEl), s. 604, art. Elektrolyysi. Otava, 1973. ISBN 9511002732.
  2. a b c d e Steven Zumdahl: Chemical Principles, Cengage Learning, 2012. ISBN 1111580650
  3. a b Kulta. Wikipedia, 6.5.2016. Artikkelin verkkoversio. fi
  4. Kulta, Au www02.oph.fi. Viitattu 29.5.2016.
  5. Nikkeli. Wikipedia, 16.3.2015. Artikkelin verkkoversio. fi
  6. Norilsk Nickel - Tuotantoprosessi www.norilsknickel.fi. Viitattu 29.5.2016.
  7. Norilsk Nickel - Content search www.norilsknickel.fi. Viitattu 29.5.2016.
  8. a b c Pinnoitus Helin - Teknistä pintakäsittelyä monipuolisesti ja tasalaatuisesti. Pinnoitus Helin. Viitattu 29.5.2016. fi-FI
  9. a b c d e Hakkarainen Marjatta, Mortimer Charles E.: suom. Kemia Chemistry, s. 255-288. Gummerus,, 2001.
  10. Elektrolyyttinenpinnoitus 2007. Viitattu 29.05.2016.
  11. a b c Alumiinin prosessointi www.helsinki.fi. Viitattu 29.5.2016.
  12. Fi Harjavalta Råmaterial partner.boliden.com. Viitattu 29.5.2016.
  13. Työ- ja elinkeinoministeriö: Työ- ja elinkeinoministeriön julkaisuja Konserni 22/2015 Metallien jalostus Suomessa: nykytila ja tulevaisuuden haasteet, s. 47. Edita Publishing Oy / Ab, 2015. ISBN 9789522279743. Teoksen verkkoversio.
  14. Fi Kokkola råmaterial partner.boliden.com. Viitattu 29.5.2016.
  15. Fi Kokkola Allmänt partner.boliden.com. Viitattu 29.5.2016.
  16. Norilsk Nickel - Raaka-aineet www.norilsknickel.fi. Viitattu 29.5.2016.
  17. Chemical | Freeport Cobalt www.freeportcobalt.com. Viitattu 29.5.2016.
  18. Heikkinen Veikko, Loukola-Ruskeeniemi Kirsti: Metallien jalostus Suomessa nykytila ja tulevaisuuden haasteet Työ-ja elinkeinoministeriön julkaisuja. 22/2015. Työ-ja elinkeinoministeriö konserni. Viitattu 29.05.2016.